用於長途通訊之單光子固態記憶體

Single photon solid-state memory for telecommunications
http://www.physorg.com/news187257862.html

By Miranda Marquit, March 8, 2010

(PhysOrg.com) -- 與量子資訊基模（quantum information schemes）相關的問題之一是以發展量子記憶（quantum memory）的能力為中心，那可依需求取得（retrieval）資訊。克服這個問題對於長途通訊的發展來說尤其重要。為了要利用量子方法長距離傳送資訊，得要實作出量子中繼器（quantum repeaters），資料才不會因光纖中的吸收損失而遭到破壞。

這些量子中繼器需要某種在單光子層次上的固態記憶體。此外，由於一項最近在瑞士日內瓦大學完成的實驗，量子資訊科學可能更靠近實際應用了。"我們能證明如何能依照需求（on demand）來儲存與取得資訊、在單光子層次上以光纖傳輸最佳化的波長弱化光脈衝。這提供一種直接方法來連接（interface）用於具量子記憶之量子通訊的光子，" Bjorn Lauritzen 表示。Lauritzen 等人將他們的研究以「Telecommunication-Wavelength Solid-State Memory at the Single Photon Leve」為題，發表在 Physical Review Letters 中。

"我們亦試圖減少涉及此技術的雜訊，" Lauritzen 說。"我們所展現的是一種原則證明（proof of principle），你能在長途通訊波長上為光子創造出固態量子記憶體，而這應該對長途量子通訊相當有幫助。"

Lauritzen 等人利用摻雜鉺（erbium）離子的正矽酸釔（yttrium orthosilicate）結晶體，在單個光子的層次上儲存光脈衝。這種記憶體使用一種基於受控制之非均增寬（reversible inhomogenous broadening）的光子回波（photon echo）技術。"首先，我們透過光幫浦製備結晶體，" Lauritzen 解釋。"我們準備一條狹窄的吸收線（absorption line），我們以人為方式利用外部電場來加寬。當我們遞送（sent in）弱光脈衝時，弱光脈衝接著全被離子團吸收，且開始去相（de-phasing）。我們可藉由翻轉電場的兩極來逆轉它。"

利用這種方法，日內瓦團隊有可能在想要的時候，取得他們原本遞送出去的資訊。"這種方法對於量子中繼器特別有用，可在長途通訊波長上提供量子記憶，使得我們能在現在不可能的距離上傳送量子。"

根據 Lauritzen 表示，其他應用也是可能的。"這種方法亦能提供單光子源，" 他說。"如果你能依需求取得光子，你就能夠打造一個光子來源，並控制它每次發出一個光子。這在某些需要單光子源的科學實驗中會很有用。"

就材料研究而論，這些結果同樣令人感興趣。探測稀土金屬（例如在本實驗裡摻雜在結晶體中的鉺）的特性，能替未來應用的新方法與技術供一些洞見，" Lauritzen 強調。

然而，Lauritzen 現在志在「為了通訊目的而改善這項技術」。"我們現在正研究基於原子光頻梳的記憶體，並在不同狀態下測試，諸如溫度以及磁場的影響，看看我們是否能減少起因於某種吸收背景（absorbing background）的損耗以增加效率同時使長途量子通訊成為可能。"

※ 相關報導：

＊ Telecommunication-Wavelength Solid-State Memory at the Single Photon Level
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.104.080502

Bjorn Lauritzen, Jiri Minar, Hugues de Riedmatten,
Mikael Afzelius, Nicolas Sangouard, Christoph Simon, and
Nicolas Gisin
Phys. Rev. Lett. 104, 080502 (2010) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.104.080502

We demonstrate experimentally the storage and retrieval of weak coherent light fields at telecommunication wavelengths in a solid. Light pulses at the single photon level are stored for a time up to 600 ns in an erbium-doped Y2SiO5 crystal at 2.6 K and retrieved on demand. The memory is based on photon echoes with controlled reversible inhomogeneous broadening, which is realized here for the first time at the single photon level. This is implemented with an external field gradient using the linear Stark effect. This experiment demonstrates the feasibility of a solid-state quantum memory for single photons at telecommunication wavelengths, which would represent an important resource in quantum information science.

＊ 世上第一款量子記憶儲存裝置
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